Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения. Способы возбуждения машин постоянного тока

где m I - масштаб тока, а/мм;

т U - масштаб напряжения, в/мм;

r в - сопротивление цепи обмотки возбуждения, ом.

Из этого выражения видно, что тангенс угла наклона характеристики обмотки возбуждения пропорционален сопротивлению r в. Поэтому для увеличения угла α необходимо увеличить сопротивление r в , что можно осуществить увеличением сопротивления регулировочного реостата в цепи обмотки возбуждения. В результате увеличения r в точка А перемещается в A 1 , и на якоре генератора устанавливается новое напряжение, меньшее U a . При дальнейшем увеличении сопротивления r в угол а растет, а напряжение на якоре генератора уменьшается. При некотором значении сопротивления r вк цепи обмотки возбуждения, которое называется критическим, характеристика обмотки возбуждения OА 2 сливается с начальной частью характеристики холостого хода. Такой угол α кр называется критическим. При значении угла α = α кр самовозбуждения генератора не происходит. Если α>α кр, например характеристика обмотки возбуждения занимает положение ОА 3 , генератор тем более не может возбудиться.

Если необходимо возбудить генератор при α>α кр, то следует увеличить скорость вращения якоря. В этом случае ординаты всех точек характеристики холостого хода возрастают пропорционально скорости вращения и при некотором значении скорости вращения n кр, называемой критической, начальная часть характеристики холостого хода сольется с прямой 0А 3 . При дальнейшем увеличении скорости вращения характеристика холостого хода будет пересекать характеристику обмотки возбуждения ОА 3 и генератор возбудится. Таким образом, для самовозбуждения параллельного генератора необходимо соблюдение следующих условий:

1) наличие остаточного магнетизма;

2) совпадение направления действия потоков обмотки возбуждения и остаточного магнетизма;

Рис. 2.34. Нагрузочные характеристики:

а - генератор с независимым возбуждением; б - сравнение характеристик при одинаковом токе якоря

жения в цепи якоря. Поэтому нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода. Чем больше ток I а якоря, при котором снята нагрузочная характеристика, тем ниже она смещена (рис. 2.34, а). Обычно снимают несколько характеристик, в том числе при I а = I н .

Нагрузочные характеристики генераторов параллельного и независимого возбуждения обычно практически совпадают, так как в большинстве случаев реакция якоря и падения напряжения, создаваемые проходящим по якорю током возбуждения, невелики.

Последовательная обмотка компаундного генератора соединяется таким образом, что создаваемый ею поток направлен согласно с потоком параллельной обмотки возбуждения. Поэтому нагрузочная характеристика компаундного генератора (кривая 2 на рис. 2.34, б) идет выше, чем у генератора независимого возбуждения (кривая 1). Если последовательная обмотка имеет достаточное число витков, то нагрузочная характеристика может идти даже выше, чем характеристика холостого хода (кривая 3).

Характеристический треугольник. Для оценки влияния реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря строят характерис-

Рис. 2.35. Построение характеристического треугольника

тический треугольник абв (рис. 2.35), катеты которого соответствуют: аб - падению напряжения в цепи якоря, бв - току возбуждения, компенсирующему влияние реакции якоря.

Для построения характеристического треугольника необходимо иметь характеристику холостого хода 1 и нагрузочную 2. На нагрузочной характеристике находят точку номинального напряжения а. Для определения э. д. с. генератора вертикально вверх отточки а откладывают отрезок аб =I a R a .

Ордината бд определяет э. д. с. генератора. Для ее создания при номинальном режиме необходимо, чтобы по обмотке возбуждения проходил ток, равный од. Если бы реакции якоря не было, то (согласно характеристике холостого хода) для создания этой э. д. с. потребовался бы ток возбуждения ог. Следовательно, сторона характеристического треугольника бв= од - ог соответствует току возбуждения, компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря. Прямоугольный треугольник абв называется характеристическим. Характеристический треугольник, построенный для того же значения тока якоря при более высоком напряжении U (например, треугольник а"б"в"), оказывается не равным треугольнику абв. Действительно, сторона треугольника, соответствующая падению напряжения, а"б" = аб, но сторона, соответствующая реакции якоря, б"в" > бв. Это объясняется тем, что при насыщении машины увеличивается размагничивающее действие поперечной реакции якоря.

Внешние характеристики. Внешняя характеристика показывает зависимость напряжения U якоря от тока 1 а якоря в случае, если сопротивление r в регулировочного реостата в цепи обмотки возбуждения и скорость вращения п остаются неизменными, т. е. U = f (I a) при r в = const и п = const.

В генераторе с независимым возбуждением напряжение на обмотке возбуждения сохраняется постоянным, и внешняя характеристика может быть определена как U = f(I a) при I в = const и п = const.

При увеличении тока I а возрастают падение напряжения в якоре и реакция якоря, вследствие чего уменьшается напряжение U на зажимах генератора (рис. 2.36, а). Внешняя характеристика может

быть снята при уменьшении тока нагрузки (кривая 1) или при его увеличении (кривая 2 ). В первом случае ток возбуждения устанавливается таким образом, чтобы при номинальном токе якоря напряжение U = U н , а во втором - чтобы при холостом ходе Е 0 = U н . На рис. 2.36, а стрелками показано направление, в котором снимаются характеристики. Обычно внешние характеристики снимают при уменьшении тока нагрузки.

Снижение напряжения на якоре генератора параллельного возбуждения уменьшает ток I в возбуждения, так как на-

Рис. 2.36. Внешние характеристики: а - характеристики генератора с независимым возбуждением; б - характеристики генераторов с различной системой возбуждения

пряжение на обмотках якоря и возбуждения одинаково. Уменьшение тока I в ведет к добавочному снижению напряжения U. Поэтому внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения 2 (рис. 2.36, б ) идет ниже, чем характеристика 3 генератора с независимым возбуждением. При снятии внешней характеристики ток I а увеличивают путем уменьшения сопротивления нагрузочного реостата в цепи якоря.

На величину тока якоря I а генератора параллельного возбуждения оказывает влияние как уменьшение нагрузочного сопротивления, так и уменьшение тока I в. Пока сталь насыщена, преобладающее значение имеет первый фактор. При размагничивании машины начинает преобладать второй фактор. Поэтому при уменьшении нагрузочного сопротивления ток якоря растет лишь до критического значения I кр, обычно превышающего I н в два - два с половиной раза. После этого, несмотря на дальнейшее понижение нагрузочного сопротивления, ток якоря I а уменьшается (на рис. 2.36, б рта часть характеристики 2 показана пунктиром).

Изменение напряжения генератора при переходе от номинального режима к холостому ходу называется номинальным изменением напряжения и обозначается

где U 0 - напряжение при холостом ходе генератора, равное его э. д. с. Е 0 .

Обычно ΔU = 5-10% для генераторов независимого возбуждения и 10-15% -для генераторов параллельного возбуждения.

Большой интерес представляет внешняя характеристика компаундного генератора. Его последовательная обмотка возбуждения в значительной степени компенсирует реакцию якоря и падение напряжения в цепи якоря. Поэтому с изменением нагрузки напряжение якоря компаундного генератора может в определенных пределах автоматически поддерживаться приблизительно постоянным (кривая 4). Часто последовательную обмотку возбуждения проектируют таким образом, чтобы генератор при холостом ходе и при номинальной нагрузке имел номинальное напряжение (кривая 4 ). Такой генератор называется нормально компаундированным. В некоторых случаях необходимо поддерживать постоянным напряжение не на зажимах якоря, а в конце линии. Так как в линии имеет место падение напряжения, то при номинальной нагрузке на зажимах якоря напряжение должно быть выше номинального (кривая 5), для этого увеличивают число витков последовательной обмотки возбуждения.

В сварочных генераторах последовательная обмотка возбуждения соединяется таким образом, что ее м. д. с. направлена встречно по отношению к м. д. с. параллельной или независимой обмотки возбуждения. В этом случае внешняя характеристика имеет резко падающий характер (кривая 1).

Регулировочные характеристики. Регулировочная характеристика показывает, как должен меняться ток I в возбуждения, чтобы при изменении тока I а нагрузки сохранялось бы постоянным напряжение U якоря при неизменной скорости вращения п, т. е. I в = f(I a ), при U = const и п= const.

Напряжение генератора с независимым возбуждением падает при увеличении тока нагрузки (внешняя характеристика, рис. 2. 36, а ). Поэтому для поддержания напряжения необходимо с ростом нагрузки увеличить ток возбуждения (кривая 1, рис. 2.37). Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения имеет точно такой же вид, как и независимого.

Согласно внешним характеристикам 4 и 5 компаундного генератора (рис. 2.36, б), при увеличении тока нагрузки I а напряжение U генератора в некотором интервале возрастает, а затем начинает падать. Для поддержания неизменным напряжения U регулировочная характеристика тока I в параллельной обмотки возбуждения должна иметь характер, обратный внешней характеристике. Поэтому регулировочная характеристика 2 (рис. 2.37) имеет вначале падающий, а затем возрастающий характер.

Регулировочная характеристика 3 компаундного генератора с усиленной последовательной обмоткой имеет более падающий характер.

Характеристики нагрузочная, внешняя и регулировочная называются рабочими.

Характеристики генератора последовательного возбуждения. В генераторе последовательного возбуждения ток якоря является током возбуждения, т. е. I в = I а = I (см. рис. 2.29, в). Поэтому характеристику холостого хода, нагрузочную и регулировочную снять нельзя. Их можно снять по схеме независимого возбуждения. В генераторе последовательного возбуждения имеются лишь две переменные U и I а . Поэтому генератор имеет только внешнюю

Рис. 2.37 Регулировочные характеристики

Рис. 2.38. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

С целью сохранения величины потока при изменений режима тахогенераторов их выполняют с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Для уменьшения амплитуды пульсации коллектор выполняют с большим числом пластин, чем в генераторах общего применения.

Зависимость напряжения на выходе тахогенератора от скорости вращения при постоянном сопротивлении нагрузки называется выходной характеристикой тахогенератора. От тахогенератора требуется возможно большая линейность выходной характеристики.

Выделяя в уравнении напряжения генератора (2.19) падение напряжения ΔU щ в щеточных контактах, получаем выражение напряжения тахогенератора для установившегося режима

Коэффициент k, который является тангенсом угла а наклона выходной характеристики к оси абсцисс (рис. 2.39), называют крутизной выходного напряжения.

Обычно крутизну определяют числом вольт выходного нап-

Рис. 2.39. Влияние сопротивления переходного контакта на выходную характеристику тахогенератора

ряжения на 1000 об/мин. В маломощных тахогенераторах, предназначенных для специальных схем, крутизна составляет 3-5 в на 1000 об/мин, в тахогенераторах общего применения50-100 в.

Из выражения (2.22) следует, что крутизна выходного напряжения тахогенератора зависит от величины нагрузочного сопротивления R н усилителя или вольтметра, на которое замыкаются щетки тахогенератора.

Реакция якоря тахогенератора уменьшает поток Ф, в результате чего, согласно (2.22), выходные характеристики тахогенератора имеют меньшую крутизну и при изменении тока становятся нелинейными. При увеличении нагрузочного сопротивления R н линейность выходной характеристики и крутизна возрастают (рис. 2.40, пунктир).

Выражение (2.21) показывает, что вследствие падения напряжения под щетками выходная характеристика тахогенератора сдвигается вниз на величину ΔU" щ (рис. 2.39). В результате появляется мертвая зона оа, в пределах которой вращающийся тахогенератор не дает напряжения. Для уменьшения падения напряжения в щеточном контакте выбирают самые мягкие щетки с наименьшим переходным сопротивлением. В некоторых случаях применяют металлические щетки с серебряными напайками в местах соприкосновения с коллектором. Этим достигается резкое уменьшение смещения выходной характеристики.

Сопротивление обмотки возбуждения и, как следствие этого, ток возбуждения I в весьма значительно изменяются с повышением

Рис. 2.40. Выходные характеристики тахогенератора при разных сопротивлениях вольтметра: 1 - сопротивление вольтметра 10 000 ом; 2 - сопротивление вольтметра 5 000 ом; 3 - сопротивление вольтметра 2 000 ом

Рис. 2.41. Конструктивная схема двухколлекторного радиогенератора

Рис. 2.42. Конструктивная схема двухякорного радиогенератора

температуры. Это ведет к изменению выходной э. д. с. Тахогенераторы с постоянными магнитами значительно менее чувствительны к изменению температуры. Для уменьшения влияния температуры на точность измерений тахогенератора при независимом электромагнитном возбуждении магнитную систему делают сильно насыщенной.

Электродвижущая сила тахогенератора пропорциональна скорости вращения, которая представляет собой производную угла по времени. Это дает возможность использовать тахогенераторы для электрического дифференцирования в счетно-решающих устройствах, а также для получения ускоряющих и замедляющих сигналов, которые являются производными по времени от соответствующих координат, задаваемых схемами автоматики.

Радиогенераторы. На радиостанциях используются два напряжения постоянного тока: низкое (обычно 15 в) для питания накала электронных ламп и высокое (обычно 750- 1500 в ) для питания анодных и сеточных цепей ламп.

Генераторы для питания радиостанций мощностью до 1 квт выполняются двухколлекторными (рис. 2.41) с двумя независимыми якорными обмотками на разные напряжения, которые расположены в общих пазах. Радиогенераторы мощностью более 1 квт выполняются с двумя отдельными якорями и магнитными системами, расположенными в общем корпусе (рис. 2.42). Генераторы имеют двухили четырехполюсное исполнение, выполняются закрытыми и обязательно имеют защитные от радиопомех фильтры и экранирование.

Обмотка возбуждения генераторов присоединяется параллельно к цепи якоря низкого напряжения. Таким образом, по отношению к цепи низкого напряжения радиогенератор является генератором с параллельным возбуждением, а по отношению к цепи высокого напряжения - генератором с независимым возбуждением. Таким образом, при изменении напряжения цепи низкого напряжения изменяется ток возбуждения, что в свою очередь оказывает влияние на величину высокого напряжения. Регулирование напряжения осуществляется изменением сопротивления реостата в цепи возбуждения.

Радиогенераторы обычно приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания.

Для переносных радиостанций и для аварийных режимов используются радиогенераторы с ручным или с ножным приводом через редуктор.

1. Какие системы возбуждения имеют генераторы постоянного тока? Какими преимуществами обладает компаундный генератор? Почему внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения имеет более падающий характер, чем генератора независимого возбуждения? В одинаковой ли степени опасно короткое замыкание для генераторов независимого и параллельного возбуждения?

2. Частью какой кривой является кривая размагничивания постоянного магнита? Какое влияние может оказать реакция якоря на постоянный магнит? В каком случае восстанавливается и в каком случае не восстанавливается индукция постоянного магнита после его размагничивания?

3. Может ли быть значение индукции находящегося в машине постоянного магнита равно В r ? Как влияет воздушный зазор на характеристики постоянного магнита?

4. Может ли иметь место самовозбуждение у полностью размагниченного генератора? Чем отличается тахогенератор от обычного генератора постоянного тока? Может ли обычный генератор работать как тахогенератор и наоборот? Почему тахогенератор не выполняют с самовозбуждением? Какие преимущества и недостатки имеют тахогенераторы с независимым возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов?

5. Почему в тахогенераторе нарушается линейная зависимость между выходным напряжением и скоростью вращения? Как влияет величина нагрузочного сопротивления на выходную характеристику тахогенератора? Чем обусловлено наличие зоны нечувствительности? Каким образом при помощи тахогенератора может быть осуществлено дифференцирование углового или линейного перемещения?

6. Какие конструктивные особенности имеют радиогенераторы? Какую систему возбуждения имеют радиогенераторы?

Для работы электрической машины необходимо наличие маг­нитного поля. В большинстве машин постоянного тока это поле создается обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током. Свойства машин постоянного тока в значительной степени опре­деляются способом включения обмотки возбуждения, т. е. спосо­бом возбуждения.

По способам возбуждения машины постоянного тока можно классифицировать следующим образом:

– машины независимого возбуждения , в которых обмотка возбуждения (ОВ) питается постоянным током от источ­ника, электрически не связанного с обмоткой якоря (рис. 11, а );

– машины параллельного возбуждения , в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно (рис. 11, б );

– машины последовательного возбуждения (обыч­но применяемые в качестве двигателей), в которых обмотка воз­буждения и обмотка якоря соединены последовательно (рис. 11, в );

– машины смешанного возбуждения , в которых имеются две обмотки возбуждения – параллельная ОВ1 и после­довательная ОВ2 (рис. 11, г );

– машины с возбуждением постоянными маг­нитами (рис. 11, д ).

Все указанные машины (кроме последних) относятся к маши­нам с электромагнитным возбуждением , так как маг­нитное поле в них соз­дается электрическим током, проходящим в обмотке возбуждения.

Рис. 11. Способы возбуждения машин по­стоянного тока

Начала и концы обмоток машин по­стоянного тока со­гласно ГОСТу обо­значаются: обмотка якоря – Я1 и Я2, об­мотка добавочных полюсов – Д1 и Д2, компенсационная обмотка – К1 и К2, обмотка возбуждения независимая – Ml и М2, обмотка возбуждения параллельная (шунтовая) – Ш1 и Ш2, обмотка возбуждения последовательная (сериесная) – С1 и С2.

Контрольные вопросы

1. Какие участки содержит магнитная цепь машины постоянного тока?

2. В чем сущность явления реакции якоря машины постоянного тока?

3. Почему МДС якоря, действующая по поперечной оси, вызывает размагничи­вание машины по продольной оси?

4. Как учитывается размагничивающее действие реакции якоря при расчете числа витков полюсной катушки обмотки возбуждения?

5. С какой целью компенсационную обмотку включают последовательно с об­моткой якоря?

6. Почему с увеличением воздушного зазора ослабляется размагничивающее влияние реакции якоря?

7. Какие способы возбуждения применяют в машинах постоянного тока?

8. Что называется коммутацией в М.П.Т?

9. Способы улучшения коммутации?

Лекция № 4

Генераторы постоянного тока и их основные характеристики

Основные понятия

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Е а. При подключении к генератору нагрузки в цепи яко­ря возникает ток, а на выводах генератора устанав­ливается напряжение, определяемое уравнением на­пряжений для цепи якоря генератора:

(28.1)

– сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря r а, обмотки добавочных полюсов r д, компенсационной обмотки r к.о, последовательной обмотки возбуждения r с и переходного щеточного контакта r щ.

Якорь генератора приводится во вращение при­водным двигателем, который создает на валу гене­ратора вращающий момент М 1 . Если генератор ра­ботает в режиме х.х. (I a = 0), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холо­стого хода M 0 . Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодей­ствуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М . В генераторе этот момент направлен встречно вра­щающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 12), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

При неизменной частоте вращения (n=const ) вра­щающий момент приводного двигателя М 1 уравнове­шивается суммой противодействующих моментов: мо­ментом х.х. М 0 и электромагнитным моментом М, т. е.

M 1 = M 0 + M.(28.3)

Выражение (28.3) – уравнение моментов для генератора при n = const. Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря w, получим уравнение мощностей:

Р 1 =Р 0 + Р эм, (28.4)

где Р 1 = М 1 w – подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (меха­ническая); Р 0 = М 0 w – мощ­ность х.х., т.е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключен­ной нагрузке); Р эм = Мw – электромагнитная мощность генератора.

Рис. 12. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока.

Согласно (25.27), получим

Р эм = Е а I а

или с учетом (28.1)

где P 2 – полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощ­ность, отдаваемая генератором нагрузке; Р эа – мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря.

Учитывая потери на возбуждение генератора Р э.в ,получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:

P 1 = P 2 + P 0 + P эа + P э.в (28.6)

Следовательно, механическая мощность, развиваемая при­водным двигателем Р 1 , преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность Р 2 , передаваемую нагрузке, и мощ­ность, затрачиваемую на покрытие потерь (Р 0 +Р эа + Р э.в ).

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии n = const. Рассмотрим основные характеристики генераторов посто­янного тока.

Характеристика холостого хода – зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U 0 от тока возбуждения I в :

U 0 = ¦ (I в) при I = 0 и n = const.

Нагрузочная характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбу­ждения I в :

U = ¦ (I в) при I = 0 и n = const.

Внешняя характеристика – зависимость напряжения на вы­ходе генератора U от тока нагрузки I :

U = ¦(I в) при r рг = const и n = const,

где r рг – регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуж­дения.

Регулировочная характеристика – зависимость тока возбуж­дения I в от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора:

I в = ¦(I) при U= const и n = const.

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свой­ства генераторов постоянного тока.

(МПТ) - это общий термин, объединяющий генераторы (ГПТ) и двигатели (ДПТ). Как правило, говоря об МПТ, имеют в виду биполярные машины, у которых имеются чередующиеся «северные» и «южные» магнитные полюсы возбуждения и механический или электронный коммутатор тока вращающейся обмотки якоря с одним единственным кольцевым полюсом (в отличие от униполярных машин). Мы также будем придерживаться этого принципа.

Классификация МПТ

В электромашиностроении и теории электромашин принято разделять МПТ на устройства с явно и с неявно выраженными полюсами возбуждения, с цилиндрической или многогранной станиной, с возбуждением постоянным током или постоянными магнитами, с механическим коммутатором-коллектором на якоре или бесконтактные. Назначение машин постоянного тока разделяет их на общепромышленные и специализированные. Среди последних можно назвать, например, тяговые ДПТ, используемые в рельсовом транспорте. Выделяются также металлургические ДПТ, в особенности двигатели для прокатных станов и т. д.

Как известно, обмотки машин постоянного тока разделяются на обмотки возбуждения (ОВ) и якоря (ОЯ). Первые служат для возбуждения магнитного поля устройства, а вторые - для отбора мощности от питающей электросети в режиме двигателя или для питания электрической нагрузки в режиме генератора. Существуют еще и обмотки дополнительных полюсов, используемые для облегчения процесса коммутации.

Электрические машины постоянного тока независимо от того, являются ли они генераторами или двигателями, могут быть классифицированы на основе схем соединения их обмоток возбуждения и якоря. Они могут составлять единую электрическую цепь или же вообще не иметь электрической связи (независимое возбуждение). Этот принцип классификации делит МПТ на два основных типа. Вы поймете дальнейшую их классификацию из представленной ниже схемы.

Устройство машины постоянного тока

ГПТ может использоваться как ДПТ без каких-либо конструктивных изменений. Конечно, промышленностью выпускаются машины, предназначенные для работы в качестве двигателей, и машины, являющиеся генераторами. Однако отличия между ними состоят в конструкции отдельных частей, и на этапе общего ознакомления могут быть проигнорированы. Следовательно, далее будем рассматривать устройство машины постоянного тока в общем, без привязки к режиму ее работы.

Ниже на рисунке показан поперечный разрез простой МПТ с двумя парами явно выраженных полюсов. Конструкция ее содержит две основные части: статор и якорь. Рассмотрим, из каких деталей они состоят.

Статор содержит станину, а также главные и находящиеся между ними дополнительные полюсы (на рисунке не показаны).

Станина - это внешняя конструктивная оболочка МПТ. Она бывает литой из чугуна (у машин старых конструкций) или сварной из толстого листа стали. Станина механически прочно скрепляет всю сборку МПТ. Кроме того, она служит магнитопроводом для магнитного потока, производимого главными полюсами.

Последние прикреплены к станине с помощью винтов или сварки. Основное их назначение - нести катушки обмотки возбуждения, намотанные на них и соединенные последовательно между собой таким образом, чтобы магнитная полярность полюсов чередовалась, т. е. после «северного» полюса следовал бы «южный» и т. д.

Полюсные наконечники (башмаки), являющиеся расширением главных полюсов, служат двум целям: для предотвращения соскальзывания катушек и для равномерного распределения поля возбуждения на большей части окружности воздушного зазора.

Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника с обмоткой, втулки и вала. Сердечник - это стальной каркас цилиндрической формы, сложенный из тонких электрических листов стали, покрытых с обеих сторон электроизоляционным лаком. Это делается для предотвращения появления вихревых токов, стремящихся замкнуться в толще сердечника. В пазах его уложены секции петлевой или волновой обмотки якоря, коллектор машины постоянного тока и щетки. Обмотку якоря нужно присоединить к внешней электросети постоянного тока. Но нельзя непосредственно соединить выводы обмотки с сетевым вводом, потому что она вращается. Поэтому между сетью и обмоткой якоря установлен коммутатор-коллектор, представляющий собой множество изолированных друг от друга пластин из меди, образующих внешнюю цилиндрическую поверхность, разделенную изоляционными дорожками. Неподвижные контактные щетки скользят по ней, когда якорь с коллектором вращаются. Таким образом неподвижные щетки физически соприкасаются с вращающейся обмоткой якоря, а с их помощью уже можно выполнить подключение к внешней сети машины постоянного тока.

Развитие конструкций МПТ

Первые промышленные образцы МПТ появились в 70-х гг. 19 в. Поначалу они имели кольцевой якорь с тороидальной (граммовской) обмоткой. После изобретения барабанного якоря они приобрели законченный вид, примерно соответствующий вышеприведенному рисунку. Однако конструкция машин постоянного тока во второй половине 20 в. претерпела довольно сильные изменения. Прежде всего они коснулись статора. Вместо явно выраженных главных полюсов стали применять неявнополюсную конструкцию. В ней сосредоточенную катушку возбуждения каждого главного полюса заменили несколько меньшие по размерам катушки, расположенные в пазах шихтованного статора, который имеет прямоугольную или многогранную форму, как на рисунке ниже. В тех же пазах статора размещают и компенсационную обмотку, о которой будет сказано далее. В результате конструкция машин постоянного тока стала намного легче.

В связи с развитием управляемого асинхронного электропривода некоторые специалисты высказывают мнение о скором вытеснении асинхронными двигателями ДПТ из традиционных для них областей применения, таких как тяговый электропривод или привод металлургических механизмов. Однако пока еще рано говорить об этом как о свершившемся факте.

Общий принцип образования обмотки якоря

Любая из обмоток якоря является замкнутой сама на себя непрерывной электрической цепью, состоящей из последовательно соединенных секций (катушек). В простейшем случае секция может представлять просто один виток с двумя пазовыми проводниками или же быть многовитковой. Пазовые стороны секции всегда разнесены на расстояние, чуть меньшее полюсного деления - части окружности якоря, приходящейся на один главный полюс. Поэтому они в каждой из секций всегда находятся под главными полюсами противоположной полярности. В единую замкнутую цепь секции соединяются на пластинах коллектора. Способ же этого соединения и определяет тип обмотки. Рисунок ниже поясняет принцип образования обмотки якоря машины постоянного тока из шести многовитковых секций, соединяемых на пластинах коллектора.

В положении, показанном на рисунке, щетки разделяют обмотку якоря на две параллельные ветви: верхнюю, в которую входят секции L 1, L 2 , L 3 , и нижнюю, состоящую из секций L 4 , L 5 , L 6 . Число таких ветвей зависит от типа обмотки якоря, но оно всегда четное и не может быть меньше двух.

Петлевые и волновые обмотки якоря

Это два основных типа обмоток, каждый из которых имеет несколько разновидностей. Мы рассмотрим их простейшие варианты. Слева на рисунке ниже показана форма секций, из которых состоит простая петлевая обмотка якоря машин постоянного тока. Как можно увидеть, такая же форма секций характерна для волновой обмотки.

В первом варианте один (начальный, стартовый) вывод каждой двухвитковой секции подключен к i-й пластине коллектора, а второй (конечный, завершающий) вывод соединен на соседней (i+1)-й пластине коллектора с начальным выводом следующей секции (см. рисунок выше). Таким образом, выводы каждой секции присоединены к двум рядом расположенным пластинам, а сама секция, состоящая из двух пазовых сторон и двух лобовых частей по форме напоминает петлю (отсюда и название обмотки).

Секция волновой обмотки имеет выводы, присоединенные не к соседним пластинам коллектора, а к разнесенным на определенный шаг, называемый шагом обмотки по коллектору у к. Для простой петлевой обмотки у к =1, а для простой волновой - у к =(К±1)/р, где К - число пластин коллектора, р- число пар главных полюсов. Как видно из рисунка, вследствие такого способа соединения секции приобретают форму, похожую на полуволну синусоиды, что и обусловило название обмотки.

Принцип действия в режиме генератора

Согласно первоначальной трактовке явления электромагнитной индукции в движущемся проводнике, данной еще Фарадеем, когда он пересекает при движении силовые линии магнитного поля, в нем наводится ЭДС. Следуя этому принципу, можно объяснить причину наведения ЭДС в активных проводниках (тех, что уложены в пазы) обмотки якоря МПТ. Действительно, они движутся под главными полюсами, пересекая при этом линии поля. Поскольку последние непрерывны, каждый проводник якоря независимо от того, расположен ли он на его поверхности (так было в первых конструкциях МПТ) или в пазах, пройдя под полюсом, пересечет все исходящие из его наконечника линии поля. Направление действия индуцированной в проводнике ЭДС можно определить, применяя правило правой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже.

Пазовые проводники якоря попарно входят в состав витков катушек его обмотки. Сумма ЭДС витков дает ЭДС катушки. Неподвижные щетки делят всю обмотку якоря на несколько (минимум две) параллельных ветвей. Сумма ЭДС всех катушек, входящих в параллельную ветвь, дает ЭДС всей обмотки якоря МПТ. Таким образом, принцип действия машин постоянного тока при работе генератором можно сформулировать так: якорь возбужденной машины вращается приводным двигателем, в его обмотке наводится ЭДС, которая вызывает протекание постоянного тока якоря в замкнутой электроцепи, включающей обмотку, коллектор, щетки и внешнюю сеть с нагрузкой.

При наличии тока якоря на него начинает действовать тормозящий электромагнитный момент. Он создает нагрузку для приводного двигателя. Чем больше электрическая мощность нагрузки генератора, тем сильнее тормозится его якорь и тем выше нагрузка приводного двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии в последнем расходуется столько топлива на приведение якоря генератора во вращение, чтобы высвобожденная при его сгорании химическая энергия за вычетом энергетических потерь в двигателе и генераторе равнялась бы энергии, отбираемой электрической нагрузкой от машины постоянного тока.

Устройство и принцип действия в режиме двигателя

В этом режиме ток якоря подается в его обмотку от питающей электросети при пуске. На пазовые проводники якоря с током, находящиеся под главными полюсами, действуют силы Ампера. Направление их определяется по правилу левой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже. Их сумма создает вращающий электромагнитный момент якоря (в отличие от тормозящего в режиме генератора), и он приходит во вращение.

Но во вращающихся пазовых проводниках, как и в генераторном режиме, наводятся ЭДС, которые дают суммарную ЭДС обмотки якоря. Она действует встречно напряжению питающей сети, частично уравновешивая его. Так выглядит принцип действия машин постоянного тока при работе двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии от питающей электросети двигателем отбирается столько электроэнергии, сколько требуется механической энергии для приведения в движение присоединенного механизма с учетом энергетических потерь (электрических и механических). Иначе говоря, чем сильнее нагружен двигатель механически, т. е. чем больше вес и момент инерции приводимых им в движение механизмов или чем больше момент сопротивления среды, препятствующий их движению, тем большее количество электроэнергии потребляется двигателем от сети.

О физическом механизме наведения ЭДС в проводниках обмотки якоря МПТ

Следует отметить, что физикам-теоретикам не нравится вышеприведенный (и популярный в технической литературе) физический механизм наведения ЭДС, т. к. силовые линии магнитного поля - это всего лишь умозрительный образ, придуманный Фарадеем для его описания. Никаких подтверждений действительного существования их как реальных физических объектов не существует.

Альтернативным механизмом наведения ЭДС в движущемся пазовом проводнике обмотки якоря МПТ является воздействие на электроны внутри него силы Лоренца, пропорциональной магнитной индукции в месте расположения проводника. Однако и здесь имеется противоречие, заключающееся в том, что внутри пазов якоря магнитная индукция исчезающе мала, а на величине ЭДС проводников это не сказывается. Поэтому вместо индукции в пазе в формулу подставляют индукцию в воздушном зазоре, что, конечно же, неправильно, но дает результат, близкий к наблюдаемому на практике.

Выходом из данной коллизии является переход к описанию магнитного поля не посредством вектора магнитной индукции, а при помощи векторного магнитного потенциала. Активным сторонником такого подхода был выдающийся русский электротехник К. М. Поливанов. Более подробно с этой проблемой можно познакомиться в работах автора.

Магнитное поле МПТ при нагрузке

В нагруженной МПТ имеется два вида магнитных потоков: поток ОВ и поток ОЯ, создаваемые токами этих обмоток. Силовые линии первого из них направлены вдоль осей пары полюсов, через которые он замыкается, как это показано на фигуре 1 на рисунке ниже. Такой поток возбуждения называется продольным. Если полюсов в МПТ больше двух, то в воздушном зазоре под наконечником каждого из них это поле также является продольным.

Силовые линии потока ОЯ замыкаются поперек оси полюсов, поэтому применительно к МПТ говорят о поперечном поле якоря, которое показано на фигуре 2 на том же рисунке.

Поток якоря суммируется с потоком возбуждения, образуя результирующий поток. В этом проявляется реакция якоря машины постоянного тока, заключающаяся в воздействии поперечного поля на продольное поле возбуждения, силовые линии которого при этом искажаются, сгущаясь возле одного края полюса и разреживаясь возле другого. В ГПТ сгущение силовых линий поля, т. е. его усиление относительно поля возбуждения, происходит под набегающим на якорь краем полюса, а в ДПТ - под сбегающим, как показано на фигуре 3.

Побочные следствия реакции якоря

Вследствие явления магнитного насыщения стали результирующее поле под краем полюса, где оно усиливается, не может увеличиться в той же степени, в которой ослабляется под противоположным краем. Поэтому результатом данного эффекта является общее снижение магнитного поля нагруженной машины. В случае генератора ослабление поля уменьшает генерируемое напряжение.

Реакция якоря машины постоянного тока искажает пространственную картину силовых линий поля, следовательно, изменяется положение магнитной нейтрали (МН) - в двухполюсной МПТ она перпендикулярна силовым линиям потока возбуждения и совпадает с геометрической нейтралью ГН. Щетки должны быть размещены на МН, в противном случае это приведет к искрению под ними. Таким образом, в связи с реакцией якоря трудно определить точное положение МН. Впрочем, для этого существуют апробированные на практике способы.

Вторым негативным следствием данного эффекта, которое существенно ухудшает эксплуатационные характеристики машины постоянного тока, является повышение максимального напряжения между рядом расположенными пластинами. Посмотрите еще раз на схему простой петлевой обмотки. Если стороны некоторой ее секции находятся одновременно под краями двух соседних разноименных главных полюсов с увеличенным из-за реакции якоря полем, то индуктируемое в этой секции напряжение, а следовательно, и напряжение между парой соседних пластин коллектора может существенно превысить его величину, когда реакция якоря отсутствует, т. е. при холостом ходе. Причем такое превышение наступает обычно сразу на нескольких участках коллектора, расположенных в зонах увеличенного поля. В результате может возникнуть такое явление, как круговой огонь на коллекторе, которое может его полностью разрушить. Поэтому без специальных конструктивных способов подавления реакции якоря работа машины постоянного тока, имеющей среднюю и большую мощность, практически невозможна.

Способы борьбы с реакцией якоря

Наиболее простым и первым из появившихся способов стало увеличение воздушного зазора от середины к краям наконечников полюсов, т. е. выполнение расходящегося зазора. При этом увеличивалось магнитное сопротивление потоку реакции якоря, и воздействие его на поле возбуждения уменьшалось. Но сопротивление росло и для потока возбуждения, что вынуждало увеличивать габариты катушек на главных полюсах.

Для ослабления потока якоря при изготовлении главных полюсов используется электротехническая сталь с магнитной анизотропией ее свойств (магнитной проницаемости) вдоль и поперек оси полюсов. Полюсы из такой стали хорошо проводят продольный поток возбуждения и плохо - поперечный поток якоря. Однако такая сталь очень дорога, а ее свойства сильно зависят от температуры и изменяются с течением времени.

Наконец был найден радикальный способ борьбы с реакцией якоря машины постоянного тока. Устройство и принцип действия ее при этом почти не изменились, но добавилась еще одна обмотка - компенсационная. Она размещается в пазах, выполняемых в наконечниках главных полюсов (или в пазах статора вместе с обмоткой возбуждения при неявнополюсной конструкции), как показано на рисунке ниже, и присоединяется последовательно к обмотке якоря, т. е. по ним проходит одинаковый ток.

Однако направление обтекания им витков компенсационной обмотки выбрано таким образом, что возбуждаемый ею магнитный поток направлен навстречу потоку реакции якоря и компенсирует его.

Все современные электрические машины постоянного тока, имеющие среднюю и большую мощность, оснащаются такой обмоткой.

2. Генераторы независимого, параллельного и смешанного возбуждения и внешние характеристики.

1. Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения.

Для работы генератора необходимо наличие в нем магнитного поля. В зависимости от способа создания магнитного поля все генераторы постоянного тока (ГПТ) делят на:

1 - генераторы с независимым возбуждением:

Электромагнитные, где поле создается специальной обмоткой,

Магнитоэлектрические, где поле создается с помощью постоянных

магнитов;

2 - генераторы с самовозбуждением:

Параллельного возбуждения,

Последовательного возбуждения,

Смешанного возбуждения.

Свойства генераторов анализируют с помощью характеристик, устанавливающих зависимости между основными величинами, определяющими работу генератора. Таковыми являются:

Напряжение на зажимах, U , B;

Ток нагрузки, I , A;

Ток возбуждения, I в , А;

Полезная электрическая мощность, Р , Вт;

Частота вращения якоря n , мин.

Номинальные значения этих величин входят в паспортные данные всех генераторов постоянного тока. Можно указать и ряд дополнительных величин, например, число пар полюсов Р , сопротивления обмоток R я , R ш , R c и т.п. Основную группу характеристик снимают при неизменной частоте вращения якоря.

Основными характеристиками ГПТ являются:

1. Характеристика холостого хода U o = f(I в ); I = 0;

(U o - напряжение холостого хода генератора).

2. Внешняя характеристика U = f(I); R в = 0;

(R в - сопротивление реостата в цепи возбуждения).

3. Регулировочная характеристика I в = f(I); U = U ном ;

(U ном - номинальное напряжение генератора).

2. Генераторы независимого, параллельного и смешанного возбуждения

и внешние характеристики.

При независимом возбуждении (рис.38) обмотка возбуждения (ОВ) питается от независимого источника постоянного тока.

Независимое возбуждение генераторов применяют в случае необходимости регулирования в широких пределах тока возбуждения I в и напряжения на зажимах машины. У генераторов с независимым возбуждением

I я = I н

Генераторы с самовозбуждением имеют ОВ, питаемые от самого генератора.

Генератор с параллельным возбуждением (рис.39)

I я = I н + I в

У мощных машин I в составляет 1-3% тока якоря I я , у малых машин до нескольких десятков процентов.

Генератор со смешанным возбуждением (рис.40)

Основной обычно является параллельная обмотка. Последовательная обмотка подмагничивает машину при увеличении тока нагрузки Iн , чем компенсирует падение напряжения в обмотке якоря и размагничивающее влияние реакции якоря.

I я = I н + I в .

Способ возбуждения генератора определяет его свойства и характеристики.

Характеристика холостого хода генератора с независимым возбуждением имеет вид кривой намагничивания сердечника В = f(H) и повторяет ее петлю гистерезиса (кривая 1 - восходящая ветвь, 2 - нисходящая ветвь). Е ост соответствует Ф о - остаточному магнитному потоку.

Внешняя характеристика ГПТ с независимым возбуждением имеет падающий характер, т.к. вследствие реакции якоря магнитный поток Ф ослабляется при увеличении I я . Следовательно уменьшается Е , что вызывает дополнительное снижение U.

U = E - R я I я .

Регулировочная характеристика имеет восходящий характер, т.к. чтобы поддержать U = const при любой нагрузке, необходимо при увеличении I я увеличить Е так, чтобы

U = E - R я I я = const.

Величина Е регулируется с помощью изменения I в (а следовательно Ф ).

У генераторов с параллельным возбуждением характеристики холостого хода и регулировочная практически не отличаются от соответствующих характеристик ГПТ с независимым возбуждением.

Uхх = Uном, что позволит обеспечить стабильность напряжения.

При встречном включении обмоток Ф = Ф ш - Ф с и характеристика получается круто падающей. Достоинством ГПТ со встречным включением обмоток является то, что он не боится коротких замыканий в цепи нагрузки.

Регулировочные характеристики ГПТ со смешанным возбуждением имеют вид, представленный на рис. .

Кривая 1 - с нормально рассчитанной последовательной обмоткой.

Кривая 2 -при усиленной последовательной обмотке.

Кривая 3 - при последовательной обмотке с меньшим числом витков.

3. Принцип самовозбуждения генераторов.

Для самовозбуждения генератора необходимы следующие условия:

Наличие остаточного магнитного потока Ф о ,

Направление остаточного магнитного потока должно совпадать с

направлением потока возбуждения,

Сопротивление цепи возбуждения не должно превышать некоторого

критического значения.

Принцип самовозбуждения в ГПТ реализуется следующим образом: магнитным потоком Фо в обмотке якоря индуктируется Ео. В обмотке возбуждения, подключенной к цепи якоря, возникает ток Iво. Ток Iво возбуждает магнитный поток Ф > Ф о. Потоком Ф индуктируется Е 1 > E o , под действием Е 1 возникает новый ток I в > I во и т.д. Процесс самовозбуждения закончится, когда ЭДС станет равна падению напряжения на сопротивлениях цепей якоря и возбуждения Е = I в R, где

R = R я + R в + R p , R я , R в , R p - сопротивления обмотки якоря, обмотки возбуждения, регулировочного реостата, включенного последовательно с обмоткой возбуждения.

Другими словами процесс самовозбуждения закончится, когда характеристика холостого хода Е = f(I в) пересечется с прямой

.